煤礦注氮防滅火計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 濤

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

注氮防滅火是煤礦采空區(qū)及開采煤層防火防氧化自燃的有效手段。制氮機(jī)提純空氣中的N2氣，然后通過加壓將N2氣注入相應(yīng)發(fā)火區(qū)域，沖淡區(qū)域內(nèi)O2含量，達(dá)到滅火防自燃的目的[1]。礦用制氮設(shè)備多采用碳分子篩變壓吸附產(chǎn)氮方式，裝置出廠時(shí)多已裝了壓力表、流量計(jì)、測氧儀等設(shè)備[2-9]，但這些設(shè)備都不具備信號輸出、遠(yuǎn)傳及統(tǒng)計(jì)功能，對實(shí)現(xiàn)制氮總量的統(tǒng)計(jì)以及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測制氮設(shè)備運(yùn)行狀況多有不便。另外，從制氮設(shè)備輸出的N2氣會(huì)被多個(gè)分支管路分別輸送至不同的注氮現(xiàn)場，對每一個(gè)注氮分支管路進(jìn)行計(jì)量可以實(shí)現(xiàn)注氮量及壓力的準(zhǔn)確把控，同時(shí)也對輸氣管路漏氣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)測，以免N2氣大量泄漏而發(fā)生安全事故。注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)對防火制注氮系統(tǒng)作用巨大。

1 注氮防滅火系統(tǒng)監(jiān)測需求

對制氮量、輸出壓力、N2氣濃度進(jìn)行監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)制氮設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析。當(dāng)出現(xiàn)波動(dòng)較大、輸出值達(dá)不到規(guī)定值的情況時(shí)，可能意味著制氮設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)了異常，應(yīng)立即進(jìn)行停機(jī)檢查，以免發(fā)生事故。

對制注氮過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、可靠計(jì)量監(jiān)測，是檢驗(yàn)注氮是否達(dá)到現(xiàn)場實(shí)際要求的考評手段。注氮量是注氮滅火過程中最重要的參數(shù)，直接決定著滅火和防自燃效果。注氮量太小，會(huì)因達(dá)不到惰化采空區(qū)氣體的目的而起不到防火的作用；注氮量太大則造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

對注氮各分支管路進(jìn)行計(jì)量監(jiān)測，將制氮機(jī)輸出總量與分支管路流量相結(jié)合，可以起到分析輸氣管道是否發(fā)生大量漏氣，確保安全生產(chǎn)的目的，同時(shí)也便于領(lǐng)導(dǎo)的管理及統(tǒng)配調(diào)度。

對制氮機(jī)周圍以及注氮口周圍環(huán)境O2氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，可以防止裝置及接口泄露N2造成氧含量下降，威脅人身安全。

2 系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)

注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)可切實(shí)保障制注氮系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行，提升注氮滅火工作的效率以安全性[10-14]。系統(tǒng)組成應(yīng)包含以下部分：在線式管道氣體流量檢測設(shè)備、在線式管道氣體壓力檢測設(shè)備、在線式管道氣體溫度檢測設(shè)備、在線式管道N2氣濃度檢測設(shè)備、環(huán)境O2氣濃度檢測設(shè)備、信號采集傳輸設(shè)備、上位機(jī)軟件等。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 注氮計(jì)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition and structure of nitrogen injection metering system

在線式管道氣體流量檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備制氮量以及注氮量，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)量；在線式管道氣體壓力檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備N2氣出口壓力以及注氮口壓力，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；在線式管道氣體溫度檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備輸出氣體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；在線式管道濃度檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備輸出N2氣的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；環(huán)境O2傳感器主要用于監(jiān)視制氮機(jī)周圍，以及注氮口周圍環(huán)境O2氣體濃度，以防N2氣泄露造成O2氣含量下降，威脅人身安全。

注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

1）在線監(jiān)測制氮機(jī)總輸出流量、N2濃度以及制氮出口壓力；

2）在線監(jiān)測每一條注氮管路的N2輸出量、N2濃度以及注氮壓力；

3）在線監(jiān)測制氮機(jī)周圍及注氮口周圍O2濃度；

4）能夠?qū)崟r(shí)上傳監(jiān)測到的流量瞬時(shí)流量、N2濃度、O2濃度，在上位機(jī)監(jiān)控軟件上顯示并上傳至集團(tuán)公司；

5）具有數(shù)據(jù)分析功能，可分析輸送管路泄露與否并發(fā)出報(bào)警的功能；

6）上位機(jī)監(jiān)控軟件具有注入N2日累計(jì)、月累積及年累積功能并具有打印報(bào)表的功能。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量與采集設(shè)計(jì)

3.1 氮?dú)饬髁康臏y量設(shè)計(jì)

從制氮機(jī)出來的氣體是較為潔凈的氣體介質(zhì)，N2氣產(chǎn)量約為（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）300～1500 m3/h，出口 N2壓力范圍為0～1.0 MPa，故對于該氣體流量的測量設(shè)備只要在流量測量精度以及防爆性能上滿足要求，則均可應(yīng)用。當(dāng)前煤礦注氮計(jì)量裝置常用流量計(jì)有孔板流量計(jì)、金屬管浮子流量計(jì)。

孔板流量計(jì)起源早，歷史悠久，國際通用，機(jī)構(gòu)簡單，成本低且無可轉(zhuǎn)動(dòng)部件，也是現(xiàn)用流量計(jì)應(yīng)用范圍最廣泛的流量計(jì)，屬于差壓式流量計(jì)中的一種。其安裝與在制氮機(jī)出口，通過差壓變送器測量孔板兩側(cè)的壓差并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的工況流量顯示出來，以便工作人員了解輸出的流量大小。

但是，它存在如下問題：①孔板的節(jié)流特性會(huì)給N2輸出帶來較大的阻力，產(chǎn)生大的壓力損失，影響氣量及輸出壓力，這會(huì)給用戶帶來很大的能源浪費(fèi)；②孔板邊緣易磨損，隨著使用時(shí)間的增長，磨損越發(fā)嚴(yán)重，孔板流出系數(shù)發(fā)生變化，測量誤差增大；③一般不具有信號輸出和遠(yuǎn)傳功能，不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測。

金屬管浮子流量計(jì)是一種變面積流量測量儀表，浮子在測量管中，隨著流量的變化，將浮子向上移動(dòng)，在某一位置浮子所受的浮力與浮子重力達(dá)到平衡。此時(shí)，浮子與孔板（或錐管）間的流通環(huán)隙面積保持一定，環(huán)隙面積與浮子的上升高度成正比，即浮子在測量管中上升的位置代表流量的大小，變化浮子的位置由內(nèi)部磁鐵傳輸?shù)酵獠康闹甘酒鳎怪甘酒髡_地指示此時(shí)的流量值。

該流量計(jì)具有體積小，檢測范圍大，使用方便，沒有直管段要求等特點(diǎn)，但只能用于自下向上流動(dòng)且必須保持垂直的管道安裝。這就使得制氮機(jī)在現(xiàn)場安裝時(shí)一定要保證流量計(jì)的安裝角度，當(dāng)達(dá)不到其安裝要求時(shí)，其測量準(zhǔn)確性也將無法保證。另外，當(dāng)前在制氮上使用的浮子流量計(jì)也只具有本地顯示功能，不具備信號輸出和遠(yuǎn)傳功能，不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測。

為了達(dá)到監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的目的，上述2種流量計(jì)均不適合應(yīng)用到注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)中。另外，由于礦用制氮系統(tǒng)多為移動(dòng)式，考慮到后期的拆卸及運(yùn)輸方便性，對于注氮計(jì)量用的流量計(jì)建議選用測量準(zhǔn)確、拆卸方便的插入式流量計(jì)——威力巴流量計(jì)[13]。

威力巴流量計(jì)基于皮托管原型而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)在線插入式流量測量裝置，為管道截面線式流量測量（非點(diǎn)式測量）裝置。通過同時(shí)檢測管道截面中心線上的多個(gè)特征點(diǎn)平均動(dòng)壓而最終換算出管道的平均流速，進(jìn)而測量出管道實(shí)際流量，測量準(zhǔn)確性高且方便后期的拆卸與維護(hù)，同時(shí)也可避免永久性壓損影響注氮機(jī)輸氣量問題。此外，該流量計(jì)具有測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，同時(shí)還集成了溫度壓力測量功能，可將工況流量計(jì)轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量，方便計(jì)量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還可用于管道內(nèi)N2壓力和溫度的測量，這樣無需再單獨(dú)安裝管道壓力傳感器和溫度傳感器，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)。該威力巴流量計(jì)的測量量程比≮10∶1，最低測量流速可達(dá)1 m/s，測量精度≯1.5%；壓力測量范圍為0～2 MPa；溫度測量范圍為-10～50℃。

3.2 氣體濃度的測量設(shè)計(jì)

在制注氮系統(tǒng)中需要測量管道內(nèi)的N2濃度和相應(yīng)區(qū)域環(huán)境的O2濃度。制氮機(jī)輸出的N2是由空氣提純而來，主要組分為O2和N2，其中N2體積分?jǐn)?shù)φ（N2）應(yīng)大于97%。為了確保制氮機(jī)輸出的N2濃度達(dá)標(biāo)，則實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出N2的濃度是非常有必要的。

但由于N2屬于惰性氣體，直接檢測N2濃度的技術(shù)相對繁瑣，目前N2濃度的測量方法主要是通過測目標(biāo)氣體中的氧含量來間接換算[14-15]，即

φ（N2）=1-φ（O2）

所以，測量管道內(nèi)的N2濃度和相應(yīng)區(qū)域環(huán)境的O2濃度均通過氧氣傳感器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前煤礦上用于測量O2濃度的傳感器均為電化學(xué)原理，測量方式為自由擴(kuò)散式。然而，為保障O2濃度的測量準(zhǔn)確性，建議選用具有溫度補(bǔ)償和抗電磁干擾功能的氧氣傳感器，此外還具有測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。

傳感器的溫度補(bǔ)償范圍應(yīng)涵蓋-10～50℃，O2體積濃度測量范圍應(yīng)涵蓋0.0%～25.0%，允許基本誤差應(yīng)不超過±3%FS，測量響應(yīng)時(shí)間應(yīng)≯60 s。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

流量、濃度等測量設(shè)備傳出的數(shù)據(jù)就近接入具有從通訊口（或相應(yīng)信號類型的采集端口）的監(jiān)控分站。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)接入礦井本部監(jiān)控系統(tǒng)，并在中心站軟件上通過定義或邏輯定義方式將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示出來，并同時(shí)上傳至集團(tuán)公司或上層管理部門。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)達(dá)到以下功能：①自動(dòng)監(jiān)測N2輸送管道總管、分支管的O2濃度、管道壓力、管道溫度、管道工況及標(biāo)況混合流量等管道參數(shù)；②自動(dòng)統(tǒng)計(jì)管道N2標(biāo)況混合流量的年、月、日累計(jì)量；③O2濃度可以在中心站軟件上進(jìn)行報(bào)警點(diǎn)等參數(shù)設(shè)置；④各監(jiān)測參數(shù)和累計(jì)量等在接入的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)上可實(shí)時(shí)顯示并生產(chǎn)、打印報(bào)表。

4 現(xiàn)場安裝工藝設(shè)計(jì)

現(xiàn)場安裝工藝的好壞直接決定了計(jì)量設(shè)備測量性能表現(xiàn)及后期運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量。故要求設(shè)備現(xiàn)場安裝工藝至少應(yīng)考慮：直管段長度預(yù)留充足；流量濃度整體安裝；設(shè)備拆卸方便；預(yù)裝人工校驗(yàn)設(shè)備或措施；等方面。

圖2 濃度測量工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of concentration measurement process

濃度傳感器安裝于來氣方向最前端，采用旁側(cè)式取氣安裝方式，一端取氣，另一端對外排空，具體的安裝工藝及工作流程如圖2所示。將減壓閥安裝在管道上，用于將引出的高壓管道氣減壓，減壓閥出氣口連接軟膠管至玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣口上，調(diào)整減壓閥壓力及輸出流量至濃度傳感器需要的流量（如 300～500 mL/min），O2濃度傳感器的氣室進(jìn)氣口通過軟膠管接至玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的出氣口；微量的氣體進(jìn)入濃度傳感器測量氣室，最后排入大氣。這種安裝工藝也方便了后期設(shè)備的維護(hù)與更換。傳感器進(jìn)氣要求：氣體溫度0～40℃，流速300～500 mL/min，無明水。

流量計(jì)量設(shè)備緊隨濃度傳感器安裝，流量計(jì)采用插入式安裝方式，方便后期設(shè)備的維護(hù)與更換，同時(shí)應(yīng)注意在該流量計(jì)前后留出足夠長的直管段（具體參考相應(yīng)的流量計(jì)說明書）。

最后安裝用于人工后期的流量比對測量的設(shè)備及措施。由于注氮體屬于高壓氣體，考慮到后期校驗(yàn)的安全性，建議比對流量計(jì)采用孔板流量計(jì)，同時(shí)考慮到孔板流量計(jì)壓損較大的問題，在安裝孔板流量計(jì)時(shí)建議將孔板流量計(jì)安裝于旁側(cè)管，旁側(cè)管長度應(yīng)不小于20D。同時(shí)，還需要在孔板流量計(jì)的前后安裝1個(gè)手動(dòng)閥門，用于后期孔板的維護(hù)拆卸，在旁側(cè)管對應(yīng)主管道的中間安裝手動(dòng)閥門1個(gè)，用于流量比對校驗(yàn)時(shí)的流體控制，具體如圖3所示。流量校準(zhǔn)過程如下：

關(guān)閉手動(dòng)球閥2和手動(dòng)球閥3，手動(dòng)球閥1保持打開，將校準(zhǔn)旁路管泄壓，將U形管連接到校準(zhǔn)裝置上，并確保牢固；打開手動(dòng)球閥2和手動(dòng)球閥3，關(guān)閉手動(dòng)球閥1；待流量穩(wěn)定后，記錄校準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)和在線式計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對調(diào)校；關(guān)閉手動(dòng)球閥2和手動(dòng)球閥3，打開手動(dòng)球閥1；校準(zhǔn)結(jié)束。

圖3 現(xiàn)場安裝工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of field installation process

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)的注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)，目前已經(jīng)在安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)下屬煤礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤礦制注氮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，提高了注氮工作效率，確保了注氮人員的工作環(huán)境安全，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。